디지털통신 시스템 설계 최대가능도(ML) 수신기.

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1 디지털통신 시스템 설계 최대가능도(ML) 수신기

2 1. 다음은 기저대역 검파시스템의 블록도입니다. (a)와 (b)에 들어갈 내용으로 바른 것은 어느것입니다.?
최대가능도(ML)수신기 지난시간회상 학습에 앞서 1. 다음은 기저대역 검파시스템의 블록도입니다. (a)와 (b)에 들어갈 내용으로 바른 것은 어느것입니다.? (1) (a) 임계검파기 (b) 상관기 (2) (a) 선형여파기 (b) 임계검파기 (3) (a) 임계검파기 (b) 선형여파기 (2) (a) 선형여파기 (b) 상관기 정답 : (2) 2. 전송되는 심볼 파형이 주어지는 경우 표본화기 출력에서 신호대잡음비(SNR)가 최대가 되도록 설계된 여파기를 무엇이라고 부를까요? (1) 저역여파기 (2) 대역통과여파기 (3) 정합여파기 (4) 고역통과여파기 정답 : (3)

3 최대사후확률기준 및 최소에러확률기준을 이해한다. 최대가능도 검파기(수신기)의 원리를 이해한다.
최대가능도(ML)수신기 학습목표 학습에 앞서 전 회차에서는 기저대역신호를 부가백색가우시안 잡음(AWGN) 채널을 통해 송신하였을 때 잡음이 더해진 수신 신호로부터 송신 신호를 판정하는 검파시스템 및 검파 원리에 대하여 학습하였다. 본 회차에서는 2진 전송시스템의 최대가능도 수신기 구조 및 수신기의 비트에러 성능에 대하여 학습한다. 또한 양극 NRZ 신호의 전송과 검파를 수행하는 시뮬링크 블럭을 구성하고 시간 영역 및 주파수 영역에서 신호를 관찰하고 비트에러성능을 측정하여 본다. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 수신기의 비트에러 성능 학습목표 최대가능도기준을 이해한다. 최대사후확률기준 및 최소에러확률기준을 이해한다. 최대가능도 검파기(수신기)의 원리를 이해한다. 2진 전송시스템에서 에러가 발생하는 두 가지 경우를 이해한다. 최적의 비트오류확률을 제공하는 최적의 여파기를 이해한다. 비트에러확률의 일반적 표현 방법에 대하여 이해한다.

4 1. 디지털통신 시스템에서 송신전력 또는 비트에너지를 증가시키면 비트에러확률은 높아진다.
최대가능도(ML)수신기 사전테스트 1. 디지털통신 시스템에서 송신전력 또는 비트에너지를 증가시키면 비트에러확률은 높아진다. 정답 : X 송신전력 또는 비트에너지를 증가시키면 비트에러확률은 낮아지게 됩니다.

5 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기
결정이론 최대가능도(ML : Maximum Likelihood) 기준 최대사후(MAP : Maximum a Posteriori) 확률기준 또는 최소에러확률(Minimum probability of error) 기준 최대가능도(ML)수신기의 구조

6 가설(hypothesis) : 가능한 조건의 설명
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 1. 결정이론 가설(hypothesis) : 가능한 조건의 설명 2진 전송 시스템인 경우 2개의 가능한 가설은 “0” 또는 “1”의 전송, 즉 여기에서 H0과 H1는 2개의 가능한 가설을 나타내며 가설 H0 는 신호 s0(t) 의 전송을 의미하며 H1 은 신호 s1(t)의 전송을 의미 수신신호 수신기는 r을 기반으로 H0 가 전송되었는지 H1 이 전송되었는지 결정해야 한다. 즉, s0(t) 인지 s1(t) 인지를 결정해야 한다. 이를 결정하는 시험법이 결정이론이며 결정을 내리는 데에는 여러 가지 기준(criterion)이 존재

7 H0 이 전송되었다는 가정하에 r이 수신되는 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 H0 이 전송되었다는 가정하에 r이 수신되는 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수 2. 최대가능도(ML : Maximum Likelihood) 기준 최대가능도(ML : Maximum Likelihood) 기준 : 전송 가능한 각 신호 s0(t) 또는 s1(t) 가 전송되었을 때 수신된 신호 r의 조건부 확률밀도 또는 가능도(likelihood) 함수라 불리는 와 을 사용하여 H0 인지 H1 인지를 결정 만약 H1 이 전송되었다는 가정하에 r이 수신되는 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수 이면 H1 을 선택 이면 H0 을 선택 확률적으로 큰 신호를 선택한다는 의미 즉, 다음과 같이 다시 쓸 수 있다. 왼쪽 항을 가능도비(likelihood ratio)라 부르며 1과 비교하여 H0 또는 H1 을 판정

8 2. 최대가능도(ML : Maximum Likelihood) 기준
Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 2. 최대가능도(ML : Maximum Likelihood) 기준 [예제] 다음과 같은 2개의 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수에 대한 ML 검파기를 설계하라. 최대가능도 기준은 아래와 같이 확률적으로 큰 신호를 선택하는 것 이므로 이면 H1 을 선택 이면 H0 을 선택 |r|<1/2 이면 s1(t) 또는 H1 을 선택 |r|>1/2 이거나 r=0 이면 s0(t) 또는 H0 를 선택

9 P(H0), P(H1) : 2개의 가설에 대한 사전확률 사후확률 : 수신된 신호에 근거를 둔 2개의 조건확률
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 3. 최대사후(MAP : Maximum a Posteriori) 확률기준 또는 최소에러확률(Minimum probability of error) 기준 P(H0), P(H1) : 2개의 가설에 대한 사전확률 사후확률 : 수신된 신호에 근거를 둔 2개의 조건확률 : r이 수신되었는데 H0 가 전송되었을 확률 : r이 수신되었는데 H1 이 전송되었을 확률 사후확률이 큰 가설을 선택하면, 즉 이면 H1 을 선택 이면 H0 을 선택 결합하여 다시 쓰면  사후확률이 큰 가설을 선택하므로 이를 최대사후확률(MAP: maximum a posteriori probability) 기준 또는 최소에러확률(minimum probability of error) 기준이라 부른다.

10 사후확률을 수신된 신호 r에 대한 조건부 확률밀도 또는 가능도함수로 표현하기 위하여 베이즈(Bayes) 정리를 적용하면
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 3. 최대사후(MAP : Maximum a Posteriori) 확률기준 또는 최소에러확률(Minimum probability of error) 기준 사후확률을 수신된 신호 r에 대한 조건부 확률밀도 또는 가능도함수로 표현하기 위하여 베이즈(Bayes) 정리를 적용하면 위 식을 사후확률 비 식에 적용하면 왼쪽 항의 가능도비(likelihood ratio)가 사전확률비와 비교하여 크면 H1를 선택하고 작으면 H0 을 선택  가능도함수로 표현된 최대사후확률(MAP: maximum a posteriori probability) 기준 또는 최소에러확률(minimum probability of error) 기준 2개의 사전확률이 동일한 사전확률을 갖는 다면, 즉 P(H0)=1/2, P(H1)=1/2 이면 최대사후확률기준 또는 최소에러확률기준은 최대가능도기준이 됨.

11 2진 전송시스템에서 비트에러확률을 최소화하는 수신기의 구조를 생각해보자.
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 최대가능도(ML)수신기 4. 최대가능도(ML)수신기의 구조 2진 전송시스템에서 비트에러확률을 최소화하는 수신기의 구조를 생각해보자. - 최소 비트에러를 얻는 임계 값(threshold) h와 그 때의 비트에러확률 값 - 여파기의 임펄스 응답 2진 전송 시스템의 2개의 가능한 가설 H1 : 이진 “1”을 전송 : S1(t) 전송 H2 : 이진 “0”을 전송 : S2(t) 전송

12 2진 신호 결정에 있어서 임계값 h 를 결정하는 대중적인 기준은 에러확률을 최소로 하는 것 즉, 최소에러확률 기준
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 4. 최대가능도(ML)수신기의 구조 2진 신호 결정에 있어서 임계값 h 를 결정하는 대중적인 기준은 에러확률을 최소로 하는 것 즉, 최소에러확률 기준 : 신호 Si 의 가능도 함수 P(S1), P(S2) : 신호 S1(t)와 S2(t)가 전송될 사전확률 - 사전확률이 동일 P(S1)=P(S2) 하고, 가능도함수 가 대칭이라면 a1: S1(t) 가 전송되었을 때 Z(T)의 신호성분 a2: S2(t) 가 전송되었을 때 Z(T)의 신호성분 - 동일한 확률을 갖는 신호에 있어서 최적의 임계값 h0 는 중간값 즉, 가능도함수들의 교차점을 통과

13 - 수신 신호가 Za(T)라고 가정하면 다음의 방법으로 전송신호를 결정
최대가능도(ML)수신기 Lesson1. 2진 전송시스템의 최대가능도(ML)수신기 4. 최대가능도(ML)수신기의 구조 - 수신 신호가 Za(T)라고 가정하면 다음의 방법으로 전송신호를 결정 수신 신호가 Za(T)가 임계값 (a1+a2)/2 보다 크기 때문에 S1(t)를 선택, 즉 H1 를 결정 fZ(za/s1) =P1이며 fZ(za/s2) =P2 이다. 이때 S1(t)에 대한 가능도 값 P1 이 S2(t)에 대한 가능도 값 P2 보다 크기 때문에 수신기는 S1(t)를 선택, 즉 H1 를 결정  최대가능도(maximum likelihood) 검파기(수신기) : 신호들이 동일한 확률을 갖는 경우 에러확률을 최소로 하는 검파기(수신기)

14 최대가능도(ML)수신기 돌발퀴즈 돌발퀴즈 2진 전송시스템에서 최대사후확률기준 또는 최소에러확률기준이 최대가능도기준이 되기 위한 두 개의 가설에 대한 사전확률 값은 다음 중 어느 것 일까요? (1) P(H0)=1/3, P(H1)=2/3 (2) P(H0)=1, P(H1)=0 (3) P(H0)=1/2, P(H1)=1/2 (4) P(H0)=2/3, P(H1)=1/3 정답 : 1) (3) : 2개의 사전확률이 동일한 사전확률을 갖을 때, 즉 P(H0)=1/2, P(H1)=1/2 이면 최대사후확률기준 또는 최소에러확률기준은 최대가능도기준이 된다.

15 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교
최대가능도(ML)수신기 수신기의 비트에러 성능 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 에러확률 여파기구조 단극 NRZ 전송신호의 에러확률 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교

16 - 2진 전송의 경우, 에러가 발생할 수 있는 두 가지 경우
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 1. 에러확률 - 2진 전송의 경우, 에러가 발생할 수 있는 두 가지 경우 1) S1(t) 전송되었을 때 잡음에 의해 수신기 출력 Z(T)가 h0 보다 작다면 에러 e가 발생 2) S2(t) 전송되었을 때 잡음에 의해 수신기 출력 Z(T)가 h0 보다 클때 에러 e가 발생 - 비트에러확률 P(e)

17 사전발생 확률이 동일 : P(S1)=P(S2)=1/2 확률밀도 함수 (가능도함수)가 대칭 : P(H2/s1) =P(H1/s2)
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 1. 에러확률 사전발생 확률이 동일 : P(S1)=P(S2)=1/2 확률밀도 함수 (가능도함수)가 대칭 : P(H2/s1) =P(H1/s2) - 비트에러확률 P(e) 여기에서 h0 = (a1+a2)/2 는 최적의 임계값 여기에서 은 상관기 출력에서의 잡음의 분산 으로 변수 변환하면 이고 보수오차함수 erfc(x)를 이용하면 - 최적의 비트에러확률 P(e) 보수오차함수 erfc(x)의 정의식

18 최적의 비트오류확률을 제공하는 최적의 여파기
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 2. 여파기구조 최적의 비트오류확률을 제공하는 최적의 여파기 - 보수오차함수 erfc(x)는 x에 따라 감소하는 함수이므로 비트오류확률을 최소로 하기 위해서는 최적의 비트오류확률의 인수 의 값을 최대화하여야 한다. 또는 아래의 식을 최대화 여기에서 (a1-a2)는 t=T 순간의 여파기 출력에서 신호성분 간의 차이며 위 식은 차신호에 대한 신호대잡음비(SNR)을 최대로 하는 것과 동일하며, S1(t)에 정합된 여파기와 S2(t)에 정합된 여파기 출력의 차와 동일 즉, 이 신호대잡음비(SNR)를 최대로 하는 최적의 여파기는 차신호 Sd(t)=S1(t)-S2(t) 에 정합된 접합여파기로 구현 - 그때의 최대 SNR 여기에서 Ed : 차 신호의 에너지 - 최적의 비트에러확률 P(e)

19 단극 NRZ 신호에 부가백색가우시안잡음이 더해진 신호가 정합여파기에 입력
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 3. 단극 NRZ 전송신호의 에러확률 단극 NRZ 기저대역 신호 전송 단극 NRZ 신호에 부가백색가우시안잡음이 더해진 신호가 정합여파기에 입력 상관기는 입력신호 r(t)에 차신호 Sd(t)=S1(t)-S2(t)=A를 곱하고, 적분한 후 심볼지속시간 Tb에서 표본 한 후 표본 값 Z(T)를 최적의 임계값 h0 와 비교

20 - 상관기 출력 Z(T)가 임계값 h0 보다 크다면 신호 s1(t) 또는 H1 을 결정하며
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 3. 단극 NRZ 전송신호의 에러확률 Z(T)의 신호성분 최적의 임계값 h0 - 상관기 출력 Z(T)가 임계값 h0 보다 크다면 신호 s1(t) 또는 H1 을 결정하며 그렇지 않으면 s2(t) 또는 H2 로 결정 차 신호의 에너지 비트에러확률 - 2개의 신호에 대한 평균비트에너지

21 양극 NRZ 신호에 부가백색가우시안잡음이 더해진 신호가 정합여파기에 입력
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 4. 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 양극 NRZ 기저대역 신호 전송 양극 NRZ 신호에 부가백색가우시안잡음이 더해진 신호가 정합여파기에 입력 수신기 구조 1 : 위 쪽 상관기는 수신신호 r(t)에 전송 가능한 신호 S1(t)를 곱하고 적분하며, 아래 쪽 상관기는 S2(t)=-A 에 를 곱하고 적분한다. Z(T)는 상관기 출력의 차 즉, Z(T)=Z1(T)-Z2(T)로 얻어지며 최적의 임계값 h0 와 비교

22 - 상관기 출력 Z(T)가 임계값 h0 =0 보다 크다면 신호 s1(t) 또는 H1 을 결정하며
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 4. 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 수신기 구조 2 :상관기는 입력신호 r(t)에 차신호 Sd(t)=S1(t)-S2(t)=2A를 곱하고, 적분한 후 심볼지속시간 Tb에서 표본 한 후 표본 값 Z(T)를 최적의 임계값 h0 와 비교 Z(T)의 신호성분 최적의 임계값 h0 - 상관기 출력 Z(T)가 임계값 h0 =0 보다 크다면 신호 s1(t) 또는 H1 을 결정하며 그렇지 않으면 s2(t) 또는 H2 로 결정

23 4. 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 차 신호의 에너지 비트에러확률 - 2개의 신호에 대한 평균비트에너지
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 4. 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 차 신호의 에너지 비트에러확률 - 2개의 신호에 대한 평균비트에너지

24 5. 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 5. 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교 단극 NRZ 전송 신호의 비트에러확률 양극 NRZ 전송 신호의 비트에러확률 양극신호의 경우가 단극신호에 비해 3dB 비트에러성능이 향상. 이 차이는 두 보수오차함수 erfc(x) 의 인수가 1/2배 차이가 남에 의해 발생

25 5. 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교
최대가능도(ML)수신기 Lesson2. 수신기의 비트에러 성능 5. 단극 NRZ 전송신호 및 양극 NRZ 전송신호의 에러확률 비교 일반적으로 비트에러확률은 보수오차함수인 erfc(x) 함수로 표현되며 인수 x에 따라 감소하는 함수 인수 x는 Eb/No 항으로 표현, 여기에서 Eb는 평균비트에너지를 의미하며 No는 잡음의 전력스펙트럼밀도를 나타냄 비트에러확률은 비트에너지와 잡음전력에 의해 결정되므로 비트에러확률을 감소시키기 위해서는 비트에너지를 증가시키거나 잡음전력을 감소시켜야 함.

26 (1) 증가 증가 (2) 증가 감소 (3) 감소 증가 (4) 감소 감소
최대가능도(ML)수신기 돌발퀴즈 돌발퀴즈 일반적으로 비트에러확률은 보수오차함수인 erfc(x) 함수로 표현되며 이 함수는 인수 x에 따라 ( (a) )하는 함수이다. (a)에 들어갈 내용으로 적합한 것은 무엇일까요? (1) 증가 (2) 감소 2) 보수오차함수인 erfc(x) 의 인수 x는 Eb/No 항으로 표현된다. 이 비트에러확률을 감소시키기 위해서는 비트에너지를 ( (a) )시키거나 잡음전력을 ( (b) )시켜야 한다. (a)와 (b)에 들어갈 내용으로 적합한 것은 무엇일까요? (1) 증가 증가 (2) 증가 감소 (3) 감소 증가 (4) 감소 감소 정답 : 1) (2) 2) (2)

27 최대가능도 기준은 확률적으로 큰 신호를 선택하는 것으로 가능도비를 1과 비교하여 H0 또는 H1 을 판정한다.
최대가능도(ML)수신기 학습정리 학습정리 최대가능도 기준은 확률적으로 큰 신호를 선택하는 것으로 가능도비를 1과 비교하여 H0 또는 H1 을 판정한다. 최대사후확률(MAP: maximum a posteriori probability) 기준 또는 최소에러확률(minimum probability of error) 기준에서는 가능도비를 사전확률 비와 비교 H0 또는 H1 을 판정한다. 2개의 사전확률이 동일한 사전확률을 갖는 다면 최대사후확률기준 또는 최소에러확률기준은 최대가능도기준이 된다. 최대가능도 검파기(수신기)에서 최소 비트에러를 얻는 임계 값(threshold) h0 는 신호성분들의 중간 값 이다. 즉, 가능도함수들의 교차점을 통과한다. 2진 전송의 경우, 에러가 발생할 수 있는 두 가지 경우는 첫 째로 S1(t)가 전송되었을 때 잡음에 의해 수신기 출력 Z(T)가 h0 보다 작다면 에러 e가 발생되며 둘 째로 S2(t)가 전송되었을 때 잡음에 의해 수신기 출력 Z(T)가 h0보다 클때 에러 e가 발생된다. 2진 전송시스템의 최적의 여파기는 차신호 Sd(t)=S1(t)-S2(t) 에 정합된 접합여파기로 구현된다. 일반적으로 비트에러확률은 보수오차함수인 erfc(x) 함수로 표현되며 인수 x에 따라 감소하는 함수이고 인수 x는 Eb/No 항으로 표현된다. 여기에서 Eb는 평균비트에너지를 의미하며 No는 잡음의 전력스펙트럼밀도를 나타낸다. 이러한 비트에러확률을 감소시키기 위해서는 비트에너지를 증가시키거나 잡음전력을 감소시켜야 한다.

28 최대가능도(ML)수신기 실습하기 실습하기 학습목표 : PCM과 같은 원천부호화 방법을 통해 아날로그신호를 디지털신호로 변환하였다면, 송신단에서는 변환된 디지털신호를 전송로에 적합한 펄스 파형으로 변환시키고 채널을 통해 전송하며 수신단에서는 수신된 신호로부터 디지털신호를 검파하여야 한다. 이러한 기저대역 신호의 전송과 검파를 수행하는 시뮬링크 블록을 구성한 후 신호를 분석하고 고찰한다. 실습과제 : 실습 #6-1 : 양극(bipolar) NRZ 신호의 전송과 검파를 수행하는 시뮬링크 블록을 구성 실습 #6-2 : 시간/주파수 영역에서 신호 관찰 실습 #6-3 : 비트에러율(BER : Bit Error Rate) 측정

29 주어진 조건 : 실습하기 ① 펄스 파형 : 양극(bipolar) NRZ 기저대역 펄스 ② 샘플링 시간 (Ts ) : 가변
③ 채널 : AWGN ④ 검파 : 최대가능도(ML:Maximum Likelihood) 29

30 최대가능도(ML)수신기 적용하기 구성된 시뮬링크 블록도 시간영역 신호 파형 주파수영역 신호

31 상관기 출력에서 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수가 다음과 같다고 할 때 신호 성분 값 a1 과 a2 를 구하시오.
최대가능도(ML)수신기 학습평가 아래와 같은 단극 NRZ 기저대역 전송 부호가 양측 전력스펙트럼밀도 Sn(f)=No/2 [Watts/Hz]인 부가백색가우시안 잡음채널을 통해 전송되며 수신된 신호는 아래와 같은 기저대역 신호 검파기를 통해 검파된다고 하자. 상관기 출력에서 조건부 확률밀도 또는 가능도 함수가 다음과 같다고 할 때 신호 성분 값 a1 과 a2 를 구하시오.

32 a1 과 a2 값은 신호성분에 해당하므로 잡음을 무시하고 계산할 수 있다.
최대가능도(ML)수신기 학습평가 [풀이] a1 과 a2 값은 신호성분에 해당하므로 잡음을 무시하고 계산할 수 있다. s1(t)가 전송되었다는 가정하에 Z 값이 a1 값이므로 a1 값은 다음과 같다. 또한 s2(t)가 전송되었다는 가정하에 Z 값이 a2 값이므로 a2 값은 다음과 같다.

33 최대가능도(ML) 수신기 디지털 변복조 시스템
학습마무리 이번 회차에서는 최대가능도(ML) 수신기 2진 전송시스템의 최대가능도(ML) 수신기 수신기의 비트에러 성능 다음 회차에서는 디지털 변복조 시스템 디지털 변복조 시스템의 개요 신호공간 관련사이트 및 참고문헌 시뮬링크를 이용한 디지털통신시스템설계, 김한종, 미래컴출판사 아날로그와 디지탈통신, 진년강, 청문각출판사 디지털통신(기초와응용), 이문호, 영일출판사 아날로그 및 디지털 통신이론, 김명진, 생능출판사